JP5108345B2

JP5108345B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5108345B2
Application number: JP2007072232A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣松本; 秀一斗ヶ沢; 晃一高久; 健一郎上田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008234970A

Description

本発明は、水素タンク内の残水素量を検出するセンサが設けられた燃料電池システムに関する。

例えば、燃料電池自動車では、水素タンク内の水素の残量を運転者に知らせる必要がある。運転者は、インストルメントパネルなどに設けられた残量メータを確認することによって、おおよその航続可能距離の判断を行うことができ、水素残量が残り少ないと判断した場合には水素充填が必要であると判断することができる。水素タンク内の水素残量を検出する手段としては、水素タンク内の温度および圧力を検出するセンサをそれぞれ設けて、各センサから得られる温度と圧力とに基づいて残量を検知することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−６３２０５号公報（段落００２４、図１）

しかしながら、従来の技術では、水素タンク内の圧力を検出する圧力センサに基づいて水素の残量を検出していたため、この圧力センサが故障すると、水素残量を正確に把握できなくなるという問題があった。このため、例えば、水素が欠乏した状態（電解質膜上でガス欠状態）で発電を継続すること（誤制御）になると、燃料電池スタックの膜劣化を引き起こすおそれがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、圧力センサが故障したとしても誤制御を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵容器と、前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を検出する容器内圧力検出手段と、前記燃料ガス貯蔵容器内の温度を検出する容器内温度検出手段と、を備え、前記燃料ガス貯蔵容器内の前記圧力と前記温度とに基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の残燃料ガス量を推定し、前記残燃料ガス量に基づいて前記燃料電池スタックの運転を制御する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスの燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、前記燃料消費量算出手段により算出された燃料消費量に応じた圧力に相当する圧力閾値を設定する圧力閾値設定手段と、前記容器内圧力検出手段により検出された圧力と、前記圧力閾値設定手段により設定された圧力閾値とに基づいて前記容器内圧力検出手段の故障を判定する故障判定手段と、前記燃料ガス貯蔵容器内の温度変化量を検出する温度変化量検出手段と、を備え、前記故障判定手段は、前記温度変化量検出手段により検出された温度変化量に基づいて、故障判定を行うか否かを判断することを特徴とする。

これによれば、燃料電池スタックの発電時において、検出された燃料ガス貯蔵容器内の圧力と、水素消費量に基づいて設定された圧力閾値と、を比較することで容器内圧力検出手段の故障検知が行えるため、容器内圧力検出手段の故障時に燃料電池システムが誤制御するのを防止することが可能になる。
また、温度変化量が大き過ぎる場合などは、燃料ガス貯蔵容器内の圧力が大きく変動することになるため正確な圧力検出ができなくなる。よって、温度変化量に基づいて故障検出を行うか否かを判断することにより故障の誤検出を防止することが可能になる。

請求項２に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵容器と、前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を検出する容器内圧力検出手段と、前記燃料ガス貯蔵容器内の温度を検出する容器内温度検出手段と、を備え、前記燃料ガス貯蔵容器内の前記圧力と前記温度とに基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の残燃料ガス量を推定し、前記残燃料ガス量に基づいて前記燃料電池スタックの運転を制御する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスの燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、前記燃料消費量算出手段により算出された燃料消費量に基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を推定する圧力推定手段と、前記容器内圧力検出手段により検出された圧力と、前記圧力推定手段により推定された圧力とに基づいて前記容器内圧力検出手段の故障を判定する故障判定手段と、前記燃料ガス貯蔵容器内の温度変化量を検出する温度変化量検出手段と、を備え、前記故障判定手段は、前記温度変化量検出手段により検出された温度変化量に基づいて、故障判定を行うか否かを判断することを特徴とする。

これによれば、燃料電池スタックの発電時において、検出された燃料ガス貯蔵容器内の圧力と、推定された燃料ガス貯蔵容器内の圧力とに基づいて容器内圧力検出手段の故障検知が行えるため、容器内圧力検出手段の故障時に燃料電池システムが誤制御するのを防止することが可能になる。
また、温度変化量が大き過ぎる場合などは、燃料ガス貯蔵容器内の圧力が大きく変動することになるため正確な圧力検出ができなくなる。よって、温度変化量に基づいて故障検出を行うか否かを判断することにより故障の誤検出を防止することが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記故障判定手段により故障と判断された場合には、前記燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする。

これによれば、故障している場合は発電を停止するため、残燃料ガス量を正確に把握できない状態で発電して膜劣化が引き起こされるのを防止できる。

請求項４に係る発明は、前記故障判定手段により故障と判定された場合には、前記故障判定手段による故障判定前に算出した前記燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガス量から前記燃料電池スタックの発電によって消費された燃料消費量およびパージ処理によって排出された燃料消費量を減算して代替残燃料ガス量を算出することを特徴とする。

これによれば、燃料電池スタックの発電を停止させることなく燃料電池システムの運転を継続することが可能になる。

本発明によれば、圧力センサが故障したとしても誤制御を防止することができる燃料電池システムを提供できる。

（第１参考例）
第１参考例の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は第１参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャート、図３は所定値１と所定値２との関係を示すマップである。なお、本実施形態では、車両（図示せず）に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、航空機や船舶、定置式の電源などに適用してもよい。

図１に示すように、燃料電池システム１Ａは、燃料電池スタック１０と、アノード系２０、カソード系３０、制御系４０などを含んで構成されている。

前記燃料電池スタック１０は、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノードと触媒を含むカソードとで挟み、さらにその外側を一対の導電性のセパレータで挟んで構成された単セルが複数積層された構造を有している。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、インタンク電磁弁２２、水素レギュレータ２３、エゼクタ２４、パージ弁２５などを含んで構成されている。また、インタンク電磁弁２２と水素レギュレータ２３とは配管２６ａを介して接続されている。また、水素レギュレータ２３とエゼクタ２４とは配管２６ｂを介して接続されている。また、エゼクタ２４と燃料電池スタック１０のアノードの入口とは配管２６ｃを介して接続されている。また、アノードの出口とパージ弁２５とは配管２６ｄを介して接続されている。また、配管２６ｄの途中とエゼクタ２４とは配管２６ｅを介して接続されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記インタンク電磁弁２２は、水素タンク２１と一体に構成され、ソレノイドへの通電を制御することにより開閉するようになっている。

前記水素レギュレータ２３は、水素タンク２１から供給された高圧の水素ガスを所定の圧力に減圧して燃料電池スタック１０に供給する減圧機能を有している。なお、水素レギュレータ５は、例えば、カソード系３０の圧力が信号圧として入力されることにより開弁するようになっている。

前記エゼクタ２４は、燃料電池スタック１０のアノードから排出された未反応の水素を、燃料電池スタック１０のアノードに戻して循環させるための真空ポンプの一種である。

前記パージ弁２５は、配管２６ｄの配管２６ｅよりも下流側に設けられ、定期的に開閉して発電性能が損なわれるのを防止する機能を有している。これは、水素の有効利用としてアノード系２０において水素を循環させているので、発電が継続されて電解質膜を介してカソードからアノードに生成水や窒素などの不純物が透過すると、アノード系２０の水素濃度が低下して発電性能が低下するからである。

前記カソード系３０は、エアポンプ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管３４ｂ〜３４ｅなどを含んで構成されている。また、エアポンプ３１の出口と、加湿器３２の乾燥エア（供給ガス）の入口とは配管３４ｂを介して接続されている。加湿器３２の加湿後のエアの出口と、燃料電池スタック１０のカソードの入口とは配管３４ｃを介して接続されている。カソードの出口と、加湿器３２の湿潤エア（排出オフガス）の入口とは配管３４ｄを介して接続されている。加湿器３２の湿潤エアの出口と、背圧弁３３とは配管３４ｅを介して接続されている。

前記エアポンプ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、外気を取り込んで圧縮した圧縮空気を燃料電池スタック１０のカソードに供給する機能を有している。

前記加湿器３２は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアポンプ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池スタック１０のカソードから排出された排出オフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアポンプ３１からの乾燥した空気を加湿する機能を有している。

前記背圧弁３３は、例えばバタフライ弁により構成され、その開度を制御することにより燃料電池スタック１０のカソード系３０の圧力を制御する機能を有している。

なお、パージ弁２５の下流側および背圧弁３３の下流側には希釈ボックス（図示せず）が設けられており、パージ弁２５を開弁したときに燃料電池スタック１０のアノード系２０から排出された水素が、希釈ボックス内でカソード系３０から排出されたオフガスによって所定の水素濃度に希釈された後に系外（車外）に排出されるように構成されている。

前記制御系４０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４１、タンク内温度センサ４２、タンク内圧力センサ４３、流量センサ４４を含んで構成されている。

前記ＥＣＵ４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成され、燃料消費量算出手段、圧力閾値設定手段、および故障判定手段を備えている。また、ＥＣＵ４１は、インタンク電磁弁２２、パージ弁２５、背圧弁３３を開閉制御し、エアポンプ３１のモータの回転速度を制御する。なお、パージ弁２５および背圧弁３３については、制御線の図示を省略している。また、ＥＣＵ４１は、後記する、タンク内温度センサ４２、タンク内圧力センサ４３および流量センサ４４と信号線を介して接続され、タンク内温度、タンク内圧力、流量を取得するように構成されている。

前記タンク内温度センサ４２は、水素タンク２１内に設けられ、水素タンク２１内の温度を検出する機能を有している。このタンク内温度センサ４２は、例えば、インタンク電磁弁２２と一体に構成されている。

前記タンク内圧力センサ４３は、水素タンク２１内の圧力を検出する機能を有し、インタンク電磁弁２２と水素レギュレータ２３との間の配管２６ａに設けられている。なお、タンク内圧力センサ４３は、水素タンク２１内に設けられたものでもよい。

前記流量センサ４４は、水素タンク２１から燃料電池スタック１０に向けて供給される水素の流量を検出する機能を有し、例えば配管２６ｂ（または配管２６ａ）に設けられている。流量センサ４４から得られる流量（検出値）を積算することにより、水素消費量を算出できるようになっている。なお、流量センサ４４を配管２６ａ，２６ｂに設けることにより、燃料電池スタック１０から排出されて循環する水素が水素消費量に加算されることがない。

次に、第１参考例の燃料電池システムの動作について図２を参照（適宜、図１を参照）しながら説明する。
まず、ステップＳ１０１において、イグニッションがオンされて、発電開始時または発電中、ＥＣＵ４１は、メモリなどに記憶されていた水素消費量をリセットするとともに、タンク内圧力センサ４３によって検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ１を検出して記憶する。このときの水素消費量を初期タンク内圧力Ｐ１とする。なお、発電時には、インタンク電磁弁２２が開かれて燃料電池スタック１０のアノードに水素が供給され、エアポンプ３１が駆動されてカソードに加湿空気が供給されることで水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。

そして、ステップＳ１０２に進み、ＥＣＵ４１は、流量センサ４４から得られる流量（積算流量）に基づいて算出された水素消費量が所定値１を超えたか否かを判断する。なお、この所定値１とは、予め任意に決められる値である。また、このステップＳ１０２が、燃料消費量算出手段が実施する処理に相当する。ステップＳ１０２において、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、水素消費量が所定値１を超えるまでステップＳ１０２を繰り返し、水素消費量が所定値１を超えたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、所定量の水素が消費されたと判断して、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ４１は、水素消費量（所定値１）に応じた圧力に相当する所定値２（圧力閾値）を設定する。この所定値２は、例えば予め実験等で求めておいた図３に示すようなマップに基づいて設定される。なお、マップに限定されるものではなく、関数やテーブルなどを用いて設定してもよい。なお、このステップＳ１０３が、圧力閾値設定手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１を超えたときの、タンク内圧力センサ４３で検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ２を検出して記憶する。

そして、ステップＳ１０５に進み、ＥＣＵ４１は、ステップＳ１０１で検出した初期タンク内圧力Ｐ１からステップＳ１０４で検出したタンク内圧力Ｐ２を減算した圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さいか否かを判断する。なお、このステップＳ１０５が、故障判定手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ４１は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さいと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進み、タンク内圧力センサ４３は故障していると判断する。また、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ４１は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、タンク内圧力センサ４３は正常であると判断して、ステップＳ１０１に戻る。

このステップＳ１０５の故障判定について具体例を挙げて説明すると、例えば、初期タンク内圧力Ｐ１が３５ＭＰａ（３５０気圧）であって、所定値１（水素消費量）として３００リットルが消費されたときの所定値２（圧力閾値）が３ＭＰａであった場合、タンク内圧力センサ４３によってタンク内圧力Ｐ２が３２ＭＰａであると検出されれば、検出された圧力差（Ｐ１−Ｐ２）は３ＭＰａで同じ値になるので、タンク内圧力センサ４３は正常であると判断される。また、タンク内圧力センサ４３によって検出されたタンク内圧力Ｐ２が実際よりも多い３４ＭＰａであると検出された場合には、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）は１ＭＰａとなって所定値２（３ＭＰａ）よりも小さくなるので、タンク内圧力センサ４３は故障していると判断される。また、タンク内圧力センサ４３によって検出されたタンク内圧力Ｐ２が実際よりも少ない３０ＭＰａであると検出された場合には、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）は５ＭＰａとなって所定値２よりも大きくなるが、タンク内圧力センサ４３は正常であると判断される。つまり、ステップＳ１０５において、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さい場合のみを故障と判断しているのは、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さいということはタンク内圧力Ｐ２が実際よりも多く見積もられている、つまり水素タンク２１内に実際よりも多くの水素が残っていると判断されることを主に防止するためである。

そして、タンク内圧力センサ４３が故障していると判断された場合には（Ｓ１０６、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、燃料電池スタック１０の発電を停止する。すなわち、インタンク電磁弁２２を閉じて水素タンク２１から燃料電池スタック１０のアノードへの水素の供給を停止し、エアポンプ３１を停止して燃料電池スタック１０のカソードへの空気の供給を停止する。

このように第１参考例の燃料電池システム１Ａでは、発電時において、タンク内圧力センサ４３により検出された圧力差と、水素消費量に応じて設定された圧力閾値とを比較して、タンク内圧力センサ４３の故障検知が行えるため、タンク内圧力センサ４３の故障時における燃料電池システム１Ａによる誤制御（後記する）を防止することが可能になる。例えば、水素タンク２１内の水素が実際よりも多く残っていると誤検出するような故障の場合でも、タンク内圧力センサ４３の故障を検知できるので、水素不足で発電が継続されることがなくなり、燃料電池スタック１０、特に膜（触媒を含むアノードおよびカソード）の劣化が進行するような誤制御を防止できる。

また、第１参考例の燃料電池システム１Ａでは、タンク内圧力センサ４３が故障していると判断された場合には、発電を停止するため、残水素量の把握が正確に行えないまま発電が継続されることにより膜劣化が促進するのを防止することができる。

（第２参考例）
図４は第２参考例の燃料電池システムを示す全体構成図、図５は第２参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。なお、第２参考例の燃料電池システム１Ｂと第１参考例の燃料電池システム１Ａとの相違点は、流量センサ４４に替えて電流センサ４５を用いた点のみである。第１参考例と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記燃料電池システム１Ｂにおける電流センサ４５は、燃料電池スタック１０から負荷（図示せず）に向けて引き出される電流を検出する機能を有している。この電流センサ４５により検出される電流を積算することにより、水素消費量を推定することができる。なお、負荷とは、車両であれば走行モータ、蓄電装置、エアポンプ３１等の補機類などである。

図５に示すように、ステップＳ２０１において、イグニッションがオンされて、発電開始時または発電中、ＥＣＵ４１は、メモリなどに記憶されていた積算電流をリセットするとともに、タンク内圧力センサ４３によって検出される水素タンク２１内の初期タンク内圧力Ｐ１を検出して記憶する。

そして、ステップＳ２０２に進み、ＥＣＵ４１は、電流センサ４５によって検出される電流の積算値（積算電流量）が所定値３を超えたか否かを判断する。なお、この所定値３とは、予め任意に決められる値である。また、このステップＳ２０２が、燃料消費量算出手段が実施する処理に相当する。ステップＳ２０２において、ＥＣＵ４１は、積算電流量が所定値３以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、積算電流量が所定値３を超えるまでステップＳ２０２を繰り返し、積算電流量が所定値３を超えたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、所定量の水素が消費されたと判断して、ステップＳ２０３に進む。

なお、第２参考例では、例えば定期的にパージ弁２５が開かれて反応に寄与しない水素（未反応の水素）がパージ（排出）される場合があるので、積算電流量のみに基づいて水素消費量を算出するのではなく、積算電流量から求められる水素消費量と、パージによるパージ量から求められる水素消費量とを加算したものを水素消費量として算出することが好ましい。このときのパージ量は、予め実験等で求められた値を用いることができる。また、第２参考例では、電流に基づいて水素消費量を算出しているが、これに限定されるものではなく、電圧（Ｖ）または電力（ＩＶ＝Ｗ）に基づいて水素消費量を算出するようにしてもよい。

ステップＳ２０３では、ＥＣＵ４１は、積算電流量（所定値３）に応じた圧力に相当する所定値４（圧力閾値）を設定する。なお、所定値４は、マップ、テーブル、関数などによって設定される。また、このステップＳ２０３が、圧力閾値設定手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ２０４に進み、ＥＣＵ４１は、積算電流量が所定値３を超えたときの、タンク内圧力センサ４３で検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ２を検出して記憶する。

そして、ステップＳ２０５に進み、ＥＣＵ４１は、ステップＳ２０１で検出した初期タンク内圧力Ｐ１からステップＳ２０４で検出したタンク内圧力Ｐ２を減算した圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値４よりも小さいか否かを判断する。なお、このステップＳ２０５が、故障判定手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ４１は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値４よりも小さいと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０６に進み、タンク内圧力センサ４３は故障していると判断する。また、ステップＳ２０５において、ＥＣＵ４１は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値４以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、タンク内圧力センサ４３は正常であると判断して、ステップＳ２０１に戻る。ステップＳ２０７は、第１参考例のステップＳ１０７と同様である。

このように第２参考例の燃料電池システム１Ｂでは、第１参考例と同様に、発電時において、タンク内圧力センサ４３により検出された圧力差（Ｐ１−Ｐ２）と、積算電流量およびパージ量に基づいて設定された圧力閾値とを比較して、タンク内圧力センサ４３の故障検知が行えるため、タンク内圧力センサ４３の故障時に燃料電池システム１Ｂが誤制御するのを防止することが可能になる。これにより、水素不足で発電が継続されることがないので、燃料電池スタック１０の膜（触媒を含むアノードおよびカソード）の劣化が進行（誤制御）するのを防止できる。また、タンク内圧力センサ４３が故障していると判断された場合には、発電を停止するため、残水素量の把握が正確に行えないまま発電が継続されることにより膜劣化促進を防止することができる。

（本実施形態）
図６はタンク内圧力センサの故障判定制御を示す本実施形形態のフローチャートである。なお、本実施形態における燃料電池システムは、図１に示す第１参考例の燃料電池システム１Ａと同様である。なお、本実施形態では、ＥＣＵ４１は、燃料消費量算出手段、圧力閾値設定手段および故障判定手段に加えて、温度変化量検出手段を備えている。

まず、ステップＳ３０１において、イグニッションがオンされて、発電開始時または発電中、ＥＣＵ４１は、メモリなどに記憶されていた水素消費量をリセットするとともに、タンク内圧力センサ４３によって検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ１を検出し、タンク内温度センサ４２によって検出される水素タンク２１内のタンク内温度Ｔ１を検出して、それぞれを記憶する。この水素消費量をリセットしたときに検出したタンク内圧力およびタンク内温度を、初期タンク内圧力Ｐ１および初期タンク温度Ｔ１とする。

そして、ステップＳ３０２に進み、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１を超えたか否かを判断する。なお、このステップＳ３０２は、第１参考例におけるステップＳ１０２と同様である。ステップＳ３０２において、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０２を繰り返し、水素消費量が所定値１を超えたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、所定量の水素が消費されたと判断して、ステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、ＥＣＵ４１は、水素消費量（所定値１）に応じた圧力に相当する所定値２（圧力閾値）を設定する。この所定値２は、マップ、テーブル、関数などによって設定される。なお、このステップＳ３０３が、本実施形態での圧力閾値設定手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ３０４に進み、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１を超えたときの、タンク内圧力センサ４３で検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ２と、タンク内温度センサ４２で検出される水素タンク２１内のタンク内温度Ｔ２とを検出してそれぞれ記憶する。

そして、ステップＳ３０５に進み、ＥＣＵ４１は、ステップＳ３０１で検出した初期タンク内圧力Ｐ１からステップＳ３０４で検出したタンク内圧力Ｐ２を減算した圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さいか否かを判断する。なお、所定値２は、第１参考例と同様にして設定される。このステップＳ３０５が、本実施形態における故障判定手段が実施する処理に相当する。ステップＳ３０５において、ＥＣＵ４１は、検出した圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０１に戻り、検出した圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定値２よりも小さいと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０６に進む。

ステップＳ３０６では、ＥＣＵ４１は、ステップＳ３０４で検出したタンク内温度Ｔ２からステップＳ３０１で検出した初期タンク内温度Ｔ１を減算した検出温度変化量（Ｔ２−Ｔ１）が、所定値５よりも小さいか否かを判断する。なお、所定値５は、予め任意に設定される値であり、例えば１０℃に設定される。このステップＳ３０６が、本実施形態における温度変化量検出手段が実施する処理に相当する。ステップＳ３０６において、ＥＣＵ４１は、検出温度変化量（Ｔ２−Ｔ１）が所定値５よりも小さいと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０７に進み、タンク内圧力センサ４３は故障していると判断する。また、ＥＣＵ４１は、検出温度変化量（Ｔ２−Ｔ１）が所定値５以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、温度変化量が大き過ぎて圧力変動に大きく影響すると判断してステップＳ３０１に戻る。

このように本実施形態の燃料電池システムでは、第１参考例と同様な効果を得ることができる。さらに本実施形態では、温度変化量が極端に大きい場合には、水素タンク２１内の圧力が大きく変動するため、正確な圧力検出が行い難くなる。よって、温度変化量に基づいてタンク内圧力センサ４３の故障検出を行うか否かを判断することにより故障の誤検出を防止することが可能になる。

（第３参考例）
図７はタンク内圧力センサの故障判定制御を示す第３参考例のフローチャートである。なお、第３参考例における燃料電池システムは、図４に示す第２参考例の燃料電池システム１Ｂと同様である。また、図７のステップＳ４０２〜Ｓ４０６は、第２参考例における図５のステップＳ２０２〜Ｓ２０６と同様であるので説明を省略する。

図７に示すように、ステップＳ４０１では、ＥＣＵ４１は、メモリなどに記憶されていた積算電流量をリセットするとともに、タンク内圧力センサ４３によって検出される水素タンク２１内のタンク内圧力（初期タンク内圧力）Ｐ１を検出し、タンク内温度センサ４２によって検出される水素タンク２１内のタンク内温度（初期タンク内温度）Ｔ１を検出して、それぞれを記憶する。そして、第２参考例と同様にして、ステップＳ４０２〜Ｓ４０６の処理を実行する。

そして、ステップＳ４０６において、ＥＣＵ４１は、タンク内圧力センサ４３が故障したと判断した場合には、ステップＳ４０７に進み、水素タンク２１内の代替残水素量を算出する。このときの代替残水素量（代替燃料ガス量）は、ステップＳ４０１における初期タンク内温度Ｔ１と初期タンク内圧力Ｐ１とに基づいて算出した水素タンク２１内の初期残水素量から、積算電流量がリセットされたとき（Ｓ４０１）からの発電によって消費された水素量（燃料消費量）およびパージ処理によって排出された水素量（燃料消費量）を減算することによって算出する。ステップ４０７の処理終了後は、算出した代替残水素量に基づいて発電を継続する。

なお、イグニッションがオンされて発電が開始された直後の場合、発電による水素消費量およびパージ処理による水素消費量には、イグニッションオン時におけるＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）チェック時の水素消費量が含まれる。このＯＣＶチェックとは、燃料電池スタック１０が発電を行う前に、発電可能な状態かどうかを判断するために必要な手順で、例えば燃料電池スタック１０の開回路電圧（開放端電圧ともいう）を用いて判断する。そのときの処理手順としては、パージ弁２５を開いた状態でアノード系２０の配管２６ａ〜２６ｅを水素で置換することにより行われる。

このように第３参考例の燃料電池システムでは、タンク内圧力センサ４３が故障と判断された場合でも、代替残水素量を算出するので、燃料電池スタック１０の発電を停止させることなく燃料電池システムの運転を継続することが可能になる。

（第４参考例）
図８はタンク内圧力センサの故障判定制御を示す第４参考例のフローチャート、図９は水素消費量と推定圧力変化量との関係を示すマップである。なお、第４参考例における燃料電池システムは、図１に示す第１参考例の燃料電池システム１Ａと同様である。なお、第４参考例では、ＥＣＵ４１は、燃料消費量算出手段、圧力推定手段および故障判定手段を備えている。

図８に示すように、ステップＳ５０２において、ＥＣＵ４１は、流量センサ４４から得られる流量（積算流量）に基づいて算出された水素消費量が所定値１を超えたか否かを判断する。なお、この所定値１とは、予め任意に決められる値である。また、このステップＳ５０２が、燃料消費量算出手段が実施する処理に相当する。ステップＳ５０２において、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、水素消費量が所定値１を超えるまでステップＳ５０２を繰り返し、水素消費量が所定値１を超えたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、所定量の水素が消費されたと判断して、ステップＳ５０３に進む。

ステップＳ５０３では、ＥＣＵ４１は、水素消費量（所定値１）に基づいて水素タンク２１内の減少した圧力変化量ΔＰを推定する。なお、このときの推定圧力変化量ΔＰは、例えば、予め実験等で求めておいた図９に示すようなマップに基づいて設定される。なお、マップに限定されるものではなく、関数やテーブルなどを用いて設定してもよい。なお、このステップＳ５０３が、圧力推定手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ５０４に進み、ＥＣＵ４１は、水素消費量が所定値１を超えたときの、タンク内圧力センサ４３で検出される水素タンク２１内のタンク内圧力Ｐ２を検出して記憶する。

そして、ステップＳ５０５に進み、ＥＣＵ４１は、ステップＳ５０１で検出した初期タンク内圧力Ｐ１からステップＳ５０４で検出したタンク内圧力Ｐ２を減算した圧力Ｐ１−Ｐ２（以下、検出圧力変化量とする）と、ステップＳ５０３で推定した圧力変化量ΔＰ（推定圧力変化量とする）との差の絶対値が、所定値６よりも大きいか否かを判断する。なお、所定値６は、予め任意に設定される値であり、例えばタンク内圧力センサ４３の故障判定をすることが可能な許容誤差を含む値に設定される。また、このステップＳ５０５が、故障判定手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ５０５において、ＥＣＵ４１は、検出圧力変化量（Ｐ１−Ｐ２）と推定圧力変化量（ΔＰ）との差が所定値２よりも大きいと判断した場合には（Ｙｅｓ）、故障判定するには圧力差が大きすぎると判断して、ステップＳ５０６に進み、タンク内圧力センサ４３は故障していると判断する。また、ステップＳ５０５において、ＥＣＵ４１は、検出圧力変化量（Ｐ１−Ｐ２）と推定圧力変化量（ΔＰ）との差が所定値２以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、圧力差が許容範囲内であると判断つまりタンク内圧力センサ４３は正常であると判断して、ステップＳ５０１に戻る。ステップＳ５０６、Ｓ５０７は、第１参考例でのステップＳ１０６、Ｓ１０７と同様である。

このように第４参考例の燃料電池システムでは、発電時において、タンク内圧力センサ４３により検出された圧力（検出圧力変化量）と、水素消費量に基づいて推定された圧力（推定圧力変化量）との差から、タンク内圧力センサ４３の故障検知が行えるため、タンク内圧力センサ４３の故障時における燃料電池システム１Ａによる誤制御を防止することが可能になる。例えば、水素タンク２１内の水素が実際よりも多く残っていると誤検出するような故障の場合でも、タンク内圧力センサ４３の故障を検知できるので、水素不足で発電が継続されることがなくなり、燃料電池スタック１０、特に膜（触媒を含むアノードおよびカソード）の劣化が進行するような誤制御を防止できる。

また、第４参考例の燃料電池システムでは、タンク内圧力センサ４３が故障していると判断された場合には、発電を停止するため、残水素量の把握が正確に行えないまま発電が継続されることにより膜劣化が促進するのを防止することができる。

なお、前記した第４参考例では、検出圧力変化量（Ｐ１−Ｐ２）と推定圧力変化量（ΔＰ）との差に基づいて故障判定を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば、タンク内圧力センサ４３から検出される初期タンク内圧力（Ｐ１）から燃料消費量から推定された推定圧力変化量（ΔＰ）を減算したときの現在の圧力（Ｐ１−ΔＰ）と、タンク内圧力センサ４３から検出される現在の圧力（Ｐ２）との差（（Ｐ１−ΔＰ）−Ｐ２＞所定値２）に基づいて故障判定してもよい。

また、第１参考例、第２参考例、本実施形態、第３参考例において、第４参考例における検出圧力変化量と推定圧力変化量に基づいて故障判定を行うようにしてもよい。また、第３参考例の代替残水素量算出の処理（Ｓ４０７）を第１参考例、第２参考例、本実施形態および第４参考例に適用してもよい。

第１参考例の燃料電池システムを示す全体構成図である。第１参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。所定値１と所定値２との関係を示すマップである。第２参考例の燃料電池システムを示す全体構成図である。第２参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。本実施形態におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。第３参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。第４参考例におけるタンク内圧力センサの故障判定制御を示すフローチャートである。水素消費量と推定圧力変化量との関係を示すマップである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
２１水素タンク
４１ＥＣＵ
４２タンク内温度センサ（容器内温度検出手段）
４３タンク内圧力センサ（容器内圧力検出手段）
４４流量センサ
４５電流センサ

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵容器と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を検出する容器内圧力検出手段と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の温度を検出する容器内温度検出手段と、を備え、
前記燃料ガス貯蔵容器内の前記圧力と前記温度とに基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の残燃料ガス量を推定し、前記残燃料ガス量に基づいて前記燃料電池スタックの運転を制御する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスの燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、
前記燃料消費量算出手段により算出された燃料消費量に応じた圧力に相当する圧力閾値を設定する圧力閾値設定手段と、
前記容器内圧力検出手段により検出された圧力と、前記圧力閾値設定手段により設定された圧力閾値とに基づいて前記容器内圧力検出手段の故障を判定する故障判定手段と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の温度変化量を検出する温度変化量検出手段と、を備え、
前記故障判定手段は、前記温度変化量検出手段により検出された温度変化量に基づいて、故障判定を行うか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵容器と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を検出する容器内圧力検出手段と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の温度を検出する容器内温度検出手段と、を備え、
前記燃料ガス貯蔵容器内の前記圧力と前記温度とに基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の残燃料ガス量を推定し、前記残燃料ガス量に基づいて前記燃料電池スタックの運転を制御する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスの燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、
前記燃料消費量算出手段により算出された燃料消費量に基づいて前記燃料ガス貯蔵容器内の圧力を推定する圧力推定手段と、
前記容器内圧力検出手段により検出された圧力と、前記圧力推定手段により推定された圧力とに基づいて前記容器内圧力検出手段の故障を判定する故障判定手段と、
前記燃料ガス貯蔵容器内の温度変化量を検出する温度変化量検出手段と、を備え、
前記故障判定手段は、前記温度変化量検出手段により検出された温度変化量に基づいて、故障判定を行うか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
前記故障判定手段により故障と判断された場合には、前記燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記故障判定手段により故障と判定された場合には、前記故障判定手段による故障判定前に算出した前記燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガス量から前記燃料電池スタックの発電によって消費された燃料消費量およびパージ処理によって排出された燃料消費量を減算して代替残燃料ガス量を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。